第2章23 PC机的主机ppt课件

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1、2.3 PC机的主机,2.3.1 主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器 2.3.3 I/O总线和I/O接口,台式PC的物理组成,台式机,2.3.1 主板、芯片组与BIOS,台式PC机(立式)的主机箱,(1) 主板,主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件 主板安装内容：见上图 ROM BIOS：存放最基础的软件基本输入/输出系统(BIOS) CMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）,例：华硕P4T主板照片,(2) 芯片组的作用,芯片组举例,芯片组的作用： 是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽 北桥芯片： 1. 存储器控制功能；2. 连接CPU、存储器、显卡、南桥芯

2、片的枢纽 南桥芯片： 1. 多种I/O设备的控制功能；2. I/O总线(PCI总线) 功能；3. 提供了各种I/O接口,关于芯片组的一些说明,芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套 由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能 芯片组产品： Intel芯片(如865、915、945、955、975系列等） VIA（威盛，中国台湾） nVIDIA（美国） ATI（加拿大） AMD（美国）,背景材料：当前Intel台式机芯片组,(3) BIOS,什么是BIOS （Basic Input/Output

3、 System） ？ 中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序 功能： 诊断计算机故障 启动计算机工作 控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等) BIOS 芯片 保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片,BIOS 芯片中包含的程序,加电自检程序程序（POST） (Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障 系统自举程序（Boot） 启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态 CMOS设置程序 设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等 常用外部设备的驱动程序（Driver） 实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常

4、用外部设备输入输出操作的控制,PC机的启动工作过程,接通电源时CPU自动执行BIOS中的加电自检程序 1.1 按CMOS中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作状态 (发现错误则报错) 1.2 初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备 CPU自动执行自举程序 按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘） 从外存储器读入引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存 最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制,关于CMOS 芯片,这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息 作用： 存放计

5、算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日期和时间、口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用 设置和修改CMOS参数的方法： 在开机启动BIOS工作时，按下Del键(或F2或F8健)，即可进入BIOS中的CMOS设置程序,2.3.2 内存储器,复习：内存与外存的关系及比较,内存储器(简称内存或主存) 存取速度快 成本高、容量相对较小 直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作 属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据,CPU,逐条执行指令，按指令要求完成

6、对数据的运算和处理,外存储器(简称外存或辅存) 存取速度慢 成本低、容量很大 不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。 属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息,计算机中存储器的层次结构,分析：速度越快，成本较高。 为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作 工作过程： 1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器 2）如需要从(向)存储器中取(存) 数据时，先访问cache，如在，取自cache 3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中

7、，则取自RAM 4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAM cache,内存储器的分类及应用,内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：,半导体存储器,只 读 存储器(ROM),随机存取存储器(RAM),静态随机存取存储器SRAM,动态随机存取存储器DRAM,不可在线改写内容的ROM,快擦除存储器（Flash ROM）,（用作Cache存储器）,（用作主存储器）,主存储器(RAM)的功能与原理,主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据 特点： 以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位） 存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（

8、单位：MB或GB） 存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1 ns = 10-9 s）,PC机主存储器的物理结构,主存储器由14个内存条组成 内存条的组成： 把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用,目前流行的是DDR2和DDR3内存条： 均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面 DDR2 和DDR3均有240个引脚，但不可互换使用 PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽,DDR存储器的类型、速率及相关参数,存储器与CPU速度差距愈来愈大,DRA

9、M, 硬盘与CPU 之间的速度差距愈来愈大：,问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差12个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待,关于cache存储器,什么是cache(高速缓存)？,cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成 cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快 程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象 当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10

10、,11,12,13,14,15,8,9,14,3,4,4,4,10,10,10,主存中的部分信息拷贝在cache存储器中,Cache存储器,主存储器,关于cache存储器,程序的局部性原理举例,sum = 0; for (i = 0; i n; i+) sum += ai; *v = sum;,程序局部性的表现： 空间局部性：当前访问的某个数据(或指令)，其邻近范围的数据(或指令)可能很快也会被访问(程序在一段时间内所访问的数据或指令集中在一小部分地址空间中) 时间局部性：当前访问的某个数据(或指令)可能很快又会再次被访问,每条指令4个字节；每个数组元素4个字节 指令和数组元素在内存中均连续存

11、放 sum, ap ,i, t 均为通用寄存器；A，V为内存地址,I0:sum = n) goto done i4:loop:t - (ap) 数组元素ai的值 I5:sum - sum + t 累计在sum中 I6:ap - ap + 4 计算下1个数组元素的地址 I7:i - i + 1 I8:if (i n) goto loop I9:done:V - sum 累计结果保存至地址v,对应的汇编语言指令：,A,V,关于cache存储器,Cache 的操作过程,命中率H是CPU需要的指令或数据在cache中能直接找到的概率，通常在95以上 设平均访问时间T ： T = HTc+ (1 - H

12、)(Tc+ TM) = Tc+ (1 - H)TM 例1，H=0.95, Tc=1 ns, TM =20ns 则： T = 2ns 例2，若命中率提高为0.99, 则: T = 1.2ns,关于cache存储器,如何提高cache的命中率？,增大cache容量 采用多级cache技术(2级或3级等) cache中采用快速的查找算法，判定是否命中 不能命中时，采用有效的算法将读入的内容替换cache中暂时不使用的内容 编译器优化目标程序 程序员写出cache-friendly的程序,关于cache存储器,cache-friendly程序举例,哪个程序运行速度快？,关于cache存储器,Penti

13、um 4的cache存储器,Pentium 4中有3个cache存储器，分成两级： 一级cache 数据缓存（L1数据cache），8KB 指令缓存， 8KB 二级缓存（L2 cache），容量为256 KB2MB,关于cache存储器,2.3.3 I/O控制与I/O接口,输入的任务： 将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域 输出的任务： 将内存储器指定区域的内容送出到输出设备 I/O操作也包括将外存储器的内容传输到内存，或将内存中的内容传输到外存储器,I/O操作的任务,I/O 操作的特点,I/O操作与CPU的运算可并行进行 多个I/O设备可同时进行工作 配置的I/O设备数量和品种可经常增

14、减或变换 每类I/O设备都有各自的控制器，它们按照CPU的I/O操作命令，独立地控制I/O操作的全过程,关于总线,总线的定义： 用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。 总线的特点： 1 共享 ； 2 高速 总线的性能：数据通路宽度；总线工作频率；传输次数 总线带宽(数据通路宽度/8) x 总线工作频率 x 传输次数 总线的类型： CPU总线 存储器总线 I/O总线,关于I/O总线,I/O总线是各类I/O控制器与CPU、内存之间传输数据的一组公用信号线，这些信号线在物理上与主板扩展槽中插入的扩展卡（I/O控制器）直接连接。 目前PC机使用的I

15、/O总线 PCI总线 PCI-Express(高速PCI总线) I/O总线的带宽 总线的数据传输速率(MB/s) = 数据线位数/8总线工作频率（MHz） 每个总线周期的传输次数,PCI总线扩展槽,背景：什么是PCI-E？,由英特尔提出，原名为“3GIO” ，改名为“PCI-Express” （PCI-E 或 PCIe）。目标是全面取代现行的PCI和AGP，实现总线接口的统一 采用高速串行传输，以点对点的方式与主机进行通信,背景：PCI-E的优点,传输速率高： x1速率可达250MB/s， x16速率可达4GB/s（2.0版速率提高为2倍,3.0版为4倍） 适应性好：包括x1、x4、x8 及x

16、16，,关于I/O接口,I/O接口：I/O设备与I/O控制器之间的连接器 包括：插头/插座的形式、通讯规程和电器特性等 分类： 从数据传输方式来分： 串行（一次只传输1位） 并行（多位一起进行传输） 从是否能连接多个设备来分： 总线式（可连接多个设备） 独占式（只能连接1个设备） 从是否符合标准来分： 标准接口 （通用接口） 专用接口 （专用接口）,I/O设备接口,(安装在主板上的I/O设备接口),台式PC机箱背板照片,常用的I/O接口及其性能参数,关于USB接口,通用串行总线式接口（Universal Serial Bus ） 高速、可连接多个设备、串行传输 传输速率： USB的1.1版：1.5 Mb/s和12 Mb/s USB2.0版：高达480Mb/s（60MB/s） 使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug & Play,即PnP） 使用“USB集线器” 扩展机器的USB接口，最多连接127个设备 可通过USB接口由主机向外设提供电源（5V，100500 mA）。,USB接口的3种类型,接口类型A,